Н.С. Ахметов - Общая и неорганическая химия (1109650), страница 71
Текст из файла (страница 71)
О жесткой структуре алмаза свидетельствует также очень небольшое значение энтропии алмаза — всего 2,4 Дж/(К.моль). СнС СВС С~=- (полиин) -С-С вЂ” С-С-С вЂ” (полинумулен) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! или ! ! ! ! ( ( ! ! ! ! ! ! ! ! ! ( ! ( ! (7,!У ,У л Влияние порядка межъядерное рас<оединениях угле- а Е Р н с 172. Структура алмаза ( а) н граФита (б) Г р а ф и т — слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой (рис. 172, б). В соответствии с арз-гибридизацией орбиталей атомы углерода объединяются в макромолекулы Сз, предгтав- ляющие собой бесконечные слои из шестичленных колец. арэ-Гибридное состояние в этом случае стабилизруется деяокализаванной л-связью, образованной эа счет четвертого электрона каждого из атомов макромолекулы (рис 173). л-Связь в графите делокализована в пределах всей макромолекулы. Этим определяются его электрическая проводимость, серый цвет и металлический блеск.
Углеродные слои объединяются в кристаллическу(о решетку в основном за счет межмолекулярных сил. Прочность химических связей в плоскогти макромолекулы (716 кДж/моль) значительно больше, чем между слоями (вгего 17 кДж/моль). Поэтому графит довольно мягок. легко расслаивается, химичегки несколько активнее алмаза. Плотность графита (2,1 — 2,5 г/смз) ниже, чем алмаза (Згб г/смэ); значение энтропии, напротив, у графита больше и составляет 5,74 Дж/(К моль).
К ар 6 и н — черный порошок (ил. 1,9 — 2 г/см"); его решетка гексагоначьная, построена нз прямолинейных Р и г. 173. Ориентация р-орбнталей ато- цепочек С„, в которых кажмов углерода в слое графита С. дый атом образует по две (г- 424 и л-связи. вр-Гибридизация орбиталей углерода отвечает объединению атомов в цепи вида Существование двух линейных структур доказано как физическими, так и химическими методами (в частности, при озонировании полиин превращается в щавелевую, а поликумулен — в угольную кислот у .
Карбин — полупроводник ((эЕ = 1 эВ). Под влиянием света его электрическая проводимость резко возрастает. Карбин синтезирован в начале 60-х годов. Позднее он был обнаружен в природе. с возрастанием порядка связи ряду алмаз — графит — карбин межъядерное расстояние ((',, в этом ряду уменынается: О,!65; О, !42 и 0,128 нм (рнс. 174). Расстояшн* между слоямп в графите 0,335 нм. Расстояние между цепями в карбннс 0,295 нм По значению с а т ндартной энтропии модификации углерода располагаются в следу(ощий ряд: В* (карбин) > В' (графит) > В' (алмаз).
Из сопоставления теплот сгорания алмаза ( — 395,,'! к л(/моль), графита ( — 393,5 кДж/моль) и карбина ( — 360,0 кДж/моль) следует, пю наиболее стабильная модификация сг ям углерода — карбин, а наименее стабиль- О,Ю ная — алмаз. Вследствие очень высокой энергии активации превращения модификации углерода возможны лишь при особых условиях Так, алмаз превращается в графит при нагревании до ! 000 — 1500 'С (без доступа воздуха). Переход графита в алмаз С(графит( С(ялмяэ( я Н > О, ЬЯ < О вследствие очень незначительного уменьшения О,!у об ъема согласно принципа Ле Шателье требует очень высокого давления (б -10в— 10.10 Па).
Повышение температуры небла- (э га приятно для смещения равновесия, но ана а- Рис. 174 необходимо для достижения приемлемой гвяэн я ня скорости процесса. Процесс проводят при станк"" -2000 ' С. родя Освоен метод получения алмаза при низком давлении. 1 1 Ш . На~а иванне алмаза осуществляется у . яется иа алмазной затравке в атмосфере углеводородного газа (метан, этан) при температуре порядка 1000 'С. Такой способ позволяет получать алмазный порошок или кристаллы алмаза д чу в ви е " сов".
Образующиеся кристаллы отличаются высокой чистотой. О 9 и термическом разложении органических соединеПолучаемый при е ний чсриыи графи ф т, или уголь, представляет собой тонкоизмельченный графит. Технически наиболее важными сортами черного графита являются кокс, древесный уголь, животный уголь и саха. Все разновидности углерода тугоплавки. При обычной температуре элементный углерод весьма инертен. При выгоких же температурах он непосредственно взаимоде с у й тв ет с многими металлами и неметаллами. Углерод проявляет восгтановительньк свойства, что широко используется в металлургии. Для реакции С(гр фи, + От(г) = СОз(г) изменение энтропии незначительно (сьй 0), поэтому изменение энергии Гиббса по сушеству обусловлено изменением энтальпии, т.е. ., сэН = сьС Следовательно, теплоту эгон реакции почти полностью можно использовать для совершения работы. Этого можно достигнуть, если гуметь осуществить реакцию в топливном элементе.
При использовании же реакции горения угля в системе топка — паровой котел — турбина — электрический генератор коэффициент полезного действия составляет лишь 20 — 30гы Окислительные свойства у углерода выражены слабо. В д о. Всле отвис различия в структуре алмаз, графит и карбин по-разному ведут гебя в химических реакциях.
Для графита характерны реакции образования кристаллических соединений, в которых макромолекулярные слои Ст играют роль самостоятельных радикалов. Так, при взаимодействии с фтором делокализоваииая г-связь графита разрывается и возникают двухэлектронкые а-связи С вЂ” Г. В пределе образуетгя фторид графита состава СГ (рис. 175). При этом углерод переходит из ар"'- в зрт-гибридное состояние. Поскольку во фториде графита вге связи локализованы, он диэлектрик.
фторид графита — бесцветное, прозрачное, химически инертное весцество. Не реагирует даже с концентрированными кислотами и шюю сами. Используется как смазочныи материал. При дальнейшем окисэсении фтором превращается в СГы Алмаз окисляегся фто1юм при нагревании иепогредствеиио в СГ+ На различном отношении к фтору основан один из спогобов отделения графита от алмаза, получаемого синтезом из графита.. 426 Фс ор Р и с.
175. Структура фторид; графита СГ и г 170. Молекулы фул. дерева Сс,о сс Сто При нагревании графита в парах или в расплаве щелочного металла (Св, НЬ или К) образуются гоедикекия включения — ьрафиткды щелочных летаясоа, в которых роль аииока играют гексагональные сетки Ст . Графитиды щелочных металлов МСв — весьма реакционноспособные вещества медно-красного цвета. Самовоспламекяются на воздухе, а с водой взаимодействуют со взрывом. Соединения типа включения образуются также при взаимодействии графита с другими веществами (НХОа, НтБОы С1т, ГеС1т и др.) Из графита изготовляют электроды, плавильные тигли, футеровку электрических печей и промышленных электролизных ванн и др.
В ядерных реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов. Графит применяют также как смазочный материал и т.д. Исключительная твердость алмаза обусловливает его широкое применение для обработки особо твердых материалов, при буровых работах, для вытягивания проволоки и т.д. Наиболее совершенные кристаллы алмаза используют после огранки и шлифовки для изготовления ювелирных изделий (бриллиакты).
Благодаря большой адсорбционной способности древесного и животного углей они применяются для очистки веществ от примесей. Сажа используется в производстве черной резины, для изготовления красок, туши и т.д. Сочетание атомов углерода разных гибридных состояний в единой полимерной структуре порождает множество аморфных форм углерода. 427 Типичным примером аморфного углерода является так называемый стехлоуэлсрод.
В нем беспорядочно связаны между собой структурные фрагменты алмаза, графита и карбина. Его получают термическим разложением некоторых углеродистых веществ. Стеклоуглерод — новый конструкционньэй материал с уникальными свойствами, не присущими обычным модификациям углерода. Стенлоугелерол тугоплавок (остается в твердом состоянии плоть до 3700 'С), гю сравнению с большинством других тугоплавких матералов имеет небольшую плотность (до 1,5 г/смэ), обладает высокой механической прочностью, шэектроп1юводен, стекло- углерод весьма устойчив во многих агрессивных средах (расплавленных щелочах и солях, кислотах, окислителях и др.). Изделия из стеклоуглерода самой различной формы (трубки, цилиндры, стаканы и пр.) получают при термическом разложении углеродистых веществ или прессованием стеклоуглерода.
Уникальные своиства стеклоуглеропа позволяют использовать его в атомное энергетике, элсктрохнмических производствах, при изготовлении аппаратурш для особо агрессивных сред. Стекловидное углеродистое виокно, обладая низкой плотностью, высокой прочностью на разрыв и повышенной термостойкостью, применяется в космонавтике, авиации и других областях. 50) имеет тетраздрическую форму (э( = 0,1093 нм, 12 = О), что отве- СН чает электронной конфигурации 2 2 2 2 пэпзпхп»' Метан — бесцветный, не имеющий запаха газ (т.пл. — 182,49 С, т.кип.
— 161,5 6,56 'С), химически весьма инертен вследствие валентной и координационной насыщенности молекулы. На него не действуют кислоты и щелочи. Однако он легко загорается; его смеси с воздухом чрезвычайно взрывоопасны. Метан — основной компонент природного (60 — 90%) рудничного и болотного газа. Содержится в виде клатратов в земной коре. В больших количествах образуется при коксовании каменного угля. Богатые метаном газы используются как высококалорийное топливо и сырье для производства водяного газа. Углерод образует многообразные перхарбээдм. Вследствие высокой прочности гомоцепей из атомов углерода перкарбиды многообразное пероксидов и пернитридов. В качестве простейших представителей перкарбидов моэкно формально рассматривать некоторые простейшие углеводороды — нзоэлектронные аналоги пероксида и пернитридов водорода; Пероксвщ Пернитрнды Перкарбиды Характер гибридизации орбиталей атома Э (О, 1э1, С) Н о-дГ НГ' " Н Н вЂ” Н-Н- — Н Н Н Н вЂ” С-С вЂ” Н Н'~ ~Н пероксид Водорода гипраэин этан Н Н Н Н ~Н лнимип этилен Н-э'ЕС-Н ацетилен Этан С2Нш этээлен С2Нэ и газы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
